Android LCD(三)：Samsung LCD接口篇

关键词：android LCD控制器 Framebuffer PWM

平台信息:
内核：linux2.6/linux3.0
系统：android/android4.0
平台：samsung exynos 4210、exynos 4412 、exynos 5250

作者：xubin341719(欢迎转载，请注明作者)

下载链接：LCD规格书（404份），之前工作用用到的、 LCD规格书00 、 LCD规格书01 、 LCD测试图片，彩条灰阶等

Android LCD(一)：LCD基本原理篇

Android LCD(二)：LCD常用接口原理篇

Android LCD(三)：Samsung LCD接口篇

Android LCD(四)：LCD驱动调试篇

参考：S5PV210显示驱动分析与移植（android）

这篇文章中转载的成分比较多，不过大部分内容是从芯片手册上翻译过来。Framebuffer部分是黄冈老师--《嵌入式Linux之我行》这一系列博客中的，嵌入式Linux之我行这系列博客写的非常精，我刚学习Linux时经常拜读他的博客。这部分内容比较固定，三星的芯片跟新了好多代，不过这部分变化不大，技术是一个积累的过程，感谢那些前辈给我们整理比较好的学习资料，有比较好的技术继承。

这篇从LCD控制器、接口信号硬件接口寄存器、Framebuffer 、接口函数的实现及寄存器的操作来讲解，同事补充两个知点：如何阅读LCD、PWM概述；

一、 LCD控制器

功能模块的实现其实是芯片里面集成了一个相应的控制器，比如IIC有IIC控制器，UART有UART控制器等，像其他功能模块一样LCD也有一个控制器，来实现图形信息的处理。LCD控制器可以通过编程支持不同LCD屏的要求，例如行和列像素数，数据总线宽度，接口时序和刷新频率等。LCD控制器的主要作用，是将定位在系统存储器中的显示缓冲区中的LCD图像数据传送到外部LCD驱动器，并产生必要的控制信号，例如RGB_VSYNC,RGB_HSYNC, RGB_VCLK等。

如下图所示，在Exynos4412规格书中截图，LCD控制器的构成。

（下面这部分来自网络翻译，规格书中的描述）

主要由VSFR,VDMA, VPRCS , VTIME和视频时钟产生器几个模块组成：

（）、VSFR由个可编程控制器组，一套gamma LUT寄存器组（包括个寄存器），一套i80命令寄存器组（包括个寄存器）和块256*32调色板存储器组成，主要用于对lcd控制器进行配置。

（）、VDMA是LCD专用的DMA传输通道，可以自动从系统总线上获取视频数据传送到VPRCS，无需CPU干涉。

（）、VPRCS收到数据后组成特定的格式（如16bpp或24bpp），然后通过数据接口（RGB_VD, VEN_VD, V656_VD or SYS_VD）传送到外部LCD屏上。

（）、VTIME模块由可编程逻辑组成，负责不同lcd驱动器的接口时序控制需求。VTIME模块产生 RGB_VSYNC, RGB_HSYNC, RGB_VCLK, RGB_VDEN,VEN_VSYNC等信号。

主要特性：

（）、支持种接口类型：RGB/i80/ITU 601(656)/YTU444

（）、支持单色、4级灰度、16级灰度、256色的调色板显示模式

（）、支持64K和16M色非调色板显示模式

（）、支持多种规格和分辨率的LCD

（）、虚拟屏幕最大可达16MB

（）、个256*32位调色板内存

（）、支持透明叠加

二、接口信号

FIMD显示控制器全部信号定义如下所示

Signal	I/O	Description	LCD Type
LCD_HSYNC	O	水平同步信号	RGB I/F
LCD_VSYNC	O	垂直同步信号
LCD_VDEN	O	数据使能
LCD_VCLK	O	视频时钟
LCD_VD[23:0]	O	LCD像素数据输出
SYS_OE	O	输出使能
VSYNC_LDI	O	Indirect i80接口，垂直同步信号	i80 I/F
SYS_CS0	O	Indirect i80接口，片选LCD0
SYS_CS1	O	Indirect i80接口，片选LCD1
SYS_RS	O	Indirect i80接口，寄存器选择信号
SYS_WE	O	Indirect i80接口，写使能信号
SYS_VD[23:0]	IO	Indirect i80接口，视频数据输入输出
SYS_OE	O	Indirect i80接口，输出使能信号
VEN_HSYNC	O	接口水平同步信号	ITU 601/656 I/F
VEN_VSYNC	O	接口垂直同步信号
VEN_HREF	O	接口数据使能
V601_CLK	O	接口数据时钟
VEN_DATA[7:0]	O	接口YUV422格式数据输出
V656_DATA[7:0]	O	接口YUV422格式数据输出
V656_CLK	O	接口数据时钟
VEN_FIELD	O	接口域信号

、其中主要的RGB接口信号：

（）、LCD_HSYNC:行同步信号，表示一行数据的开始，LCD控制器在整个水平线（整行）数据移入LCD驱动器后，插入一个LCD_HSYNC信号；

（）、LCD_VSYNC: 帧同步信号，表示一帧数据的开始，LCD控制器在一个完整帧显示完成后立即插入一个LCD_VSYNC信号，开始新一帧的显示；VSYNC信号出现的频率表示一秒钟内能显示多少帧图像，称为“显示器的频率”

（）、LCD_VCLK：像素时钟信号，表示正在传输一个像素的数据；

（）、LCD_VDEN:数据使能信号；

（）、 LCD_VD[23:0]: LCD像素数据输出端口

、RGB信号的时序

下图是LCDRGB接口工作时序图：

（）、上面时序图上各时钟延时参数的含义如下：这些配置可以在LCD规格书中查取

VBPD(vertical back porch)：表示在一帧图像开始时，垂直同步信号以后的无效的行数

VFBD(vertical front porch)：表示在一帧图像结束后，垂直同步信号以前的无效的行数VSPW(vertical sync pulse width)：表示垂直同步脉冲的宽度，用行数计算

HBPD(horizontal back porch)：表示从水平同步信号开始到一行的有效数据开始之间的VCLK的个数HFPD(horizontal front porth)：表示一行的有效数据结束到下一个水平同步信号开始之间的VCLK的个数

HSPW(horizontal sync pulse width)：表示水平同步信号的宽度，用VCLK计算

（）、帧的传输过程

VSYNC信号有效时，表示一帧数据的开始， 信号宽度为（VSPW +1）个HSYNC信号周期，即（VSPW +1）个无效行；

VSYNC信号脉冲之后，总共还要经过（VBPD+ 1）个HSYNC信号周期，有效的行数据才出现；所以，在VSYNC信号有效之后，还要经过（VSPW +1 + VBPD + 1）个无效的行；

随即发出（LINEVAL + 1）行的有效数据；

最后是（VFPD + 1）个无效的行；

（3）、行中像素数据的传输过程

HSYNC信号有效时，表示一行数据的开始，信号宽度为（HSPW+ 1）个VCLK信号周期，即（HSPW +1）个无效像素；

HSYNC信号脉冲之后，还要经过（HBPD +1）个VCLK信号周期，有效的像素数据才出现；

随后发出（HOZVAL+ 1）个像素的有效数据；

最后是（HFPD +1）个无效的像素；

（）、将VSYNC、HSYNC、VCLK等信号的时间参数设置好之后，并将帧内存的地址告诉LCD控制器，它即可自动地发起DMA传输从帧内存中得到图像数据，最终在上述信号的控制下出现在数据总线VD[23:0]上。用户只需要把要显示的图像数据写入帧内存中。

其实现实的图像有像素点主城行、行组成场、场组成动画、动画叠加也就是3D的出现，也就是我们所说的“点动成线、线动成面、面动成体”。

三、LCD的硬件接口

、16M（24BPP）色的显示模式

用位的数据来表示一个像素的颜色，每种颜色使用8位。 LCD控制器从内存中获得某个像素的为颜色值后，直接通过VD[23:0]数据线发送给LCD；在内存中，使用4个字节（32位）来表示一个像素，其中的个字节从高到低分别表示红、绿、蓝，剩余的个字节无效；

2、64K（16BPP）色的显示模式

用位的数据来表示一个像素的颜色；格式又分为两种：：：5 ——使用位来表示红色，位表示绿色，位表示蓝色； 5：：：1——分别使用位来表示红、绿、蓝，最后一位表示透明度；

、16BPP

、serialRGB

不同的BPP接线方式如下所示：

四、寄存器

主要寄存器如下：

VIDCON0:配置视频输出格式，显示使能

VIDCON1:RGB 接口控制信号

VIDCON2: 输出数据格式控制

VIDCON3: 图像增强控制

I80IFCONx:i80接口控制信号

ITUIFCON: ITU接口控制信号

VIDTCONx:配置视频输出时序及显示大小

WINCONx:每个窗口特性设置

VIDOSDxA,B: 窗口位置设置

VIDOSDxC,D:OSD大小设置

五、Framebuffer驱动部分

这部分是：分析的比较好，我刚学linux的时候就拿个mini2440的板子对着他的博客练习)。其实这部分也是博主从S3c2440上分析的，三星芯片更新了这么多代，这块的原理还是不变的。就像一些协议一样，这么多年基本上不会变化，唯一出现的结果就是出来新的接口替代。LCD这块就是：TTL、LVDS、EDP、MIPI、HDMI等等…………速度更快，接线、PCB走线更简单，这就是集成化的好处。

、简介

帧缓冲是Linux为显示设备提供的一个接口，它把一些显示设备描述成一个缓冲区，允许应用程序通过FrameBuffer定义好的接口访问这些图形设备，从而不用去关心具体的硬件细节。对于帧缓冲设备而言，只要在显示缓冲区与显示点对应的区域写入颜色值，对应的颜色就会自动的在屏幕上显示。下面来看一下在不同色位模式下缓冲区与显示点的对应关系：

2、驱动结构

帧缓冲设备为标准的字符型设备，在Linux中主设备号，定义在/linux/major.h中的FB_MAJOR，次设备号定义帧缓冲的个数，最大允许有个FrameBuffer，定义在/include/linux/fb.h中的FB_MAX，对应于文件系统下/dev/fb%d设备文件。

帧缓冲设备驱动在Linux子系统中的结构如下：

我们从上面这幅图看，帧缓冲设备在Linux中也可以看做是一个完整的子系统，大体由fbmem.c和xxxfb.c（对应我们的s3cfb.c）组成。向上给应用程序提供完善的设备文件操作接口(即对FrameBuffer设备进行read、write、ioctl等操作)，接口在Linux提供的fbmem.c文件中实现；向下提供了硬件操作的接口，只是这些接口Linux并没有提供实现，因为这要根据具体的LCD控制器硬件进行设置，所以这就是我们要做的事情了(即s3cfb.c部分的实现)。

、数据结构及接口函数

从帧缓冲设备驱动程序结构看，该驱动主要跟fb_info结构体有关，该结构体记录了帧缓冲设备的全部信息，包括设备的设置参数、状态以及对底层硬件操作的函数指针。在Linux中，每一个帧缓冲设备都必须对应一个fb_info，fb_info在/linux/fb.h中的定义如下：(只列出重要的一些)

struct fb_info {

    int node;

    int flags;

    struct fb_var_screeninfo var;/*LCD可变参数结构体*/

    struct fb_fix_screeninfo fix;/*LCD固定参数结构体*/

    struct fb_monspecs monspecs; /*LCD显示器标准*/

    struct work_struct queue;    /*帧缓冲事件队列*/

    struct fb_pixmap pixmap;     /*图像硬件mapper*/

    struct fb_pixmap sprite;     /*光标硬件mapper*/

    struct fb_cmap cmap;         /*当前的颜色表*/

    struct fb_videomode *mode;   /*当前的显示模式*/

#ifdef CONFIG_FB_BACKLIGHT

    struct backlight_device *bl_dev;/*对应的背光设备*/

    struct mutex bl_curve_mutex;

    u8 bl_curve[FB_BACKLIGHT_LEVELS];/*背光调整*/

#endif

#ifdef CONFIG_FB_DEFERRED_IO

    struct delayed_work deferred_work;

    struct fb_deferred_io *fbdefio;

#endif

    struct fb_ops *fbops; /*对底层硬件操作的函数指针*/

    struct device *device;

    struct device *dev;   /*fb设备*/

    int class_flag;

#ifdef CONFIG_FB_TILEBLITTING

    struct fb_tile_ops *tileops; /*图块Blitting*/

#endif

    char __iomem *screen_base;   /*虚拟基地址*/

    unsigned long screen_size;   /*LCD IO映射的虚拟内存大小*/

    void *pseudo_palette;        /*伪16色颜色表*/

#define FBINFO_STATE_RUNNING    0

#define FBINFO_STATE_SUSPENDED  1

    u32 state;  /*LCD的挂起或恢复状态*/

    void *fbcon_par;

    void *par;

};

其中，比较重要的成员有struct fb_var_screeninfo var、structfb_fix_screeninfo fix和struct fb_ops *fbops，他们也都是结构体。

fb_var_screeninfo结构体主要记录用户可以修改的控制器的参数，比如屏幕的分辨率和每个像素的比特数等，该结构体定义如下：

struct fb_var_screeninfo {

    __u32 xres;                /*可见屏幕一行有多少个像素点*/

    __u32 yres;                /*可见屏幕一列有多少个像素点*/

    __u32 xres_virtual;        /*虚拟屏幕一行有多少个像素点*/

    __u32 yres_virtual;        /*虚拟屏幕一列有多少个像素点*/

    __u32 xoffset;             /*虚拟到可见屏幕之间的行偏移*/

    __u32 yoffset;             /*虚拟到可见屏幕之间的列偏移*/

    __u32 bits_per_pixel;      /*每个像素的位数即BPP*/

    __u32 grayscale;           /*非0时，指的是灰度*/

    struct fb_bitfield red;    /*fb缓存的R位域*/

    struct fb_bitfield green;  /*fb缓存的G位域*/

    struct fb_bitfield blue;   /*fb缓存的B位域*/

    struct fb_bitfield transp; /*透明度*/

    __u32 nonstd;              /* != 0 非标准像素格式*/

    __u32 activate;

    __u32 height;              /*高度*/

    __u32 width;               /*宽度*/

    __u32 accel_flags;

    /*定时：除了pixclock本身外，其他的都以像素时钟为单位*/

    __u32 pixclock;            /*像素时钟(皮秒)*/

    __u32 left_margin;         /*行切换，从同步到绘图之间的延迟*/

    __u32 right_margin;        /*行切换，从绘图到同步之间的延迟*/

    __u32 upper_margin;        /*帧切换，从同步到绘图之间的延迟*/

    __u32 lower_margin;        /*帧切换，从绘图到同步之间的延迟*/

    __u32 hsync_len;           /*水平同步的长度*/

    __u32 vsync_len;           /*垂直同步的长度*/

    __u32 sync;

    __u32 vmode;

    __u32 rotate;

    __u32 reserved[5];         /*保留*/

};

而fb_fix_screeninfo结构体又主要记录用户不可以修改的控制器的参数，比如屏幕缓冲区的物理地址和长度等，该结构体的定义如下：

struct fb_fix_screeninfo {

    char id[16];                /*字符串形式的标示符 */

    unsigned long smem_start;   /*fb缓存的开始位置 */

    __u32 smem_len;             /*fb缓存的长度 */

    __u32 type;                 /*看FB_TYPE_* */

    __u32 type_aux;             /*分界*/

    __u32 visual;               /*看FB_VISUAL_* */

    __u16 xpanstep;             /*如果没有硬件panning就赋值为0 */

    __u16 ypanstep;             /*如果没有硬件panning就赋值为0 */

    __u16 ywrapstep;            /*如果没有硬件ywrap就赋值为0 */

    __u32 line_length;          /*一行的字节数 */

    unsigned long mmio_start;   /*内存映射IO的开始位置*/

    __u32 mmio_len;             /*内存映射IO的长度*/

    __u32 accel;

    __u16 reserved[3];          /*保留*/

};

fb_ops结构体是对底层硬件操作的函数指针，该结构体中定义了对硬件的操作有:(这里只列出了常用的操作)

struct fb_ops {

    struct module *owner;

    //检查可变参数并进行设置

    int (*fb_check_var)(struct fb_var_screeninfo *var, struct fb_info *info);

    //根据设置的值进行更新，使之有效

    int (*fb_set_par)(struct fb_info *info);

    //设置颜色寄存器

    int (*fb_setcolreg)(unsigned regno, unsigned red, unsigned green,

             unsigned blue, unsigned transp, struct fb_info *info);

    //显示空白

    int (*fb_blank)(int blank, struct fb_info *info);

    //矩形填充

    void (*fb_fillrect) (struct fb_info *info, const struct fb_fillrect *rect);

    //复制数据

    void (*fb_copyarea) (struct fb_info *info, const struct fb_copyarea *region);

    //图形填充

    void (*fb_imageblit) (struct fb_info *info, const struct fb_image *image);

}；

六、Framebuffer设备注册

S3cfb.c中的s3cfb_probe设备探测，是驱动注册的主要函数，

/*定义一个结构体用来维护驱动程序中各函数中用到的变量
先别看结构体要定义这些成员，到各函数使用的地方就明白了*/

static int __devinit s3cfb_probe(struct platform_device *pdev)

{

	struct s3c_platform_fb *pdata;/*LCD屏配置信息结构体*/

	struct s3cfb_global *fbdev;/*驱动程序全局变量结构体*/

	struct resource *res; /*用来保存从LCD平台设备中获取的LCD资源*/

	int i, j, ret = 0;

	printk("%s\n",__func__);

	fbdev = kzalloc(sizeof(struct s3cfb_global), GFP_KERNEL);

	if (!fbdev) {

		dev_err(&pdev->dev, "failed to allocate for "

			"global fb structure\n");

		ret = -ENOMEM;

		goto err_global;

	}

	fbdev->dev = &pdev->dev;

	fbdev->regulator = regulator_get(&pdev->dev, "pd");

	if (!fbdev->regulator) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to get regulator\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_regulator;

	}

	ret = regulator_enable(fbdev->regulator);

	if (ret < 0) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to enable regulator\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_regulator;

	}

	/*获取LCD参数信息*/

	pdata = to_fb_plat(&pdev->dev);

	if (!pdata) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to get platform data\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_pdata;

	}

	fbdev->lcd = (struct s3cfb_lcd *)pdata->lcd;

	/*配置GPIO端口*/

	if (pdata->cfg_gpio)

		pdata->cfg_gpio(pdev);

	/*设置时钟参数*/

	if (pdata->clk_on)

		pdata->clk_on(pdev, &fbdev->clock);

	/*获取LCD平台设备所使用的IO端口资源，注意这个IORESOURCE_MEM标志和LCD平台设备定义中的一致*/

	res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);

	if (!res) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to get io memory region\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_io;

	}

	/*申请LCD IO端口所占用的IO空间(注意理解IO空间和内存空间的区别),request_mem_region定义在ioport.h中*/

	res = request_mem_region(res->start,

				 res->end - res->start + 1, pdev->name);

	if (!res) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to request io memory region\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_io;

	}

	/*将LCD的IO端口占用的这段IO空间映射到内存的虚拟地址，ioremap定义在io.h中

		 注意：IO空间要映射后才能使用，以后对虚拟地址的操作就是对IO空间的操作*/

	fbdev->regs = ioremap(res->start, res->end - res->start + 1);

	if (!fbdev->regs) {

		dev_err(fbdev->dev, "failed to remap io region\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_mem;

	}

#ifdef CONFIG_FB_S3C_LTE480WV

	/*设置寄存器初始状态*/

	s3cfb_pre_init_para(fbdev);

#endif

    /*设置gamma 值*/

	s3cfb_set_gamma(fbdev);

	/*设置VSYNC中断*/

	s3cfb_set_vsync_interrupt(fbdev, 1);

	/*设置全局中断*/

	s3cfb_set_global_interrupt(fbdev, 1);

	/*fb设备参数信息初始化*/

	s3cfb_init_global(fbdev);

	/*为framebuffer分配空间，进行内存映射，填充fb_info*/

	if (s3cfb_alloc_framebuffer(fbdev)) {

		ret = -ENOMEM;

		goto err_alloc;

	}

	/*注册fb设备到系统中*/

	if (s3cfb_register_framebuffer(fbdev)) {

		ret = -EINVAL;

		goto err_register;

	}

	s3cfb_set_clock(fbdev);

	s3cfb_set_window(fbdev, pdata->default_win, 1);

	s3cfb_display_on(fbdev);

	fbdev->irq = platform_get_irq(pdev, 0);

	if (request_irq(fbdev->irq, s3cfb_irq_frame, IRQF_SHARED,

			pdev->name, fbdev)) {

		dev_err(fbdev->dev, "request_irq failed\n");

		ret = -EINVAL;

		goto err_irq;

	}

#ifdef CONFIG_FB_S3C_LCD_INIT

	if (pdata->backlight_on)

		pdata->backlight_on(pdev);

	if (!bootloaderfb && pdata->reset_lcd)

		pdata->reset_lcd(pdev);

	if (pdata->lcd_on)

		pdata->lcd_on(pdev);

#endif

#ifdef CONFIG_HAS_EARLYSUSPEND

	fbdev->early_suspend.suspend = s3cfb_early_suspend;

	fbdev->early_suspend.resume = s3cfb_late_resume;

	fbdev->early_suspend.level = EARLY_SUSPEND_LEVEL_DISABLE_FB;

	register_early_suspend(&fbdev->early_suspend);

#endif

	/*对设备文件系统的支持，创建fb设备文件*/

	ret = device_create_file(&(pdev->dev), &dev_attr_win_power);

	if (ret < 0)

		dev_err(fbdev->dev, "failed to add sysfs entries\n");

	dev_info(fbdev->dev, "registered successfully\n");

	/*显示开机logo*/

#if !defined(CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE) && defined(CONFIG_LOGO)

	if (fb_prepare_logo( fbdev->fb[pdata->default_win], FB_ROTATE_UR)) {

		printk("Start display and show logo\n");

		/* Start display and show logo on boot */

		fb_set_cmap(&fbdev->fb[pdata->default_win]->cmap, fbdev->fb[pdata->default_win]);

		fb_show_logo(fbdev->fb[pdata->default_win], FB_ROTATE_UR);

	}

#endif

	return 0;

}